申请日20200316
公开(公告)日20200630
IPC分类号C02F1/30; C02F1/34; B01J23/835; C02F101/30
摘要
本发明公开了一种水力空化系统协同复合光催化剂光催化降解废水中染料的方法。采用的技术方案是：结合水力空化系统，采用复合光催化剂光催化降解废水中的染料，包括如下步骤：将含有染料的废水置于降解池中，加入复合光催化剂，混合均匀，控制降解池的温度为30～50℃，开启稳压泵和光源，使降解池中的混合液在水力空化光催化装置和降解池之间进行循环，循环150min。本发明方法结合两种高级氧化技术，使两种技术相互协同，高效降解废水中的有机染料，适用于大规模处理染料废水。
权利要求书
1.一种水力空化系统协同复合光催化剂光催化降解废水中染料的方法，其特征在于，利用水力空化系统，采用复合光催化剂光催化降解废水中的染料，包括如下步骤：将含有染料的废水置于降解池(9)中，加入复合光催化剂，混合均匀，控制降解池(9)的温度为30～50℃，开启稳压泵(1)和光源(5-3)，使降解池(9)中的混合液在水力空化光催化装置(5)和降解池(9)之间进行循环，循环150min;所述水力空化系统包括水力空化光催化装置(5)和外部设有冷却循环系统(9-1)的降解池(9)，所述水力空化光催化装置(5)由文丘里管(5-1)和玻璃管(5-2)串联组成，文丘里管(5-1)上端设有光源(5-3)，出水管道(10)一端与降解池(9)的出水口连接，另一端依次连接稳压泵(1)、阀门Ⅰ(2)、压力表Ⅰ(3)和流量计Ⅰ(4)后与文丘里管(5-1)的入口端连接，入水管道(11)一端与玻璃管(5-2)连接后，另一端依次连接压力表Ⅱ(6)、流量计Ⅱ(7)和阀门Ⅱ(8)后深入降解池(9)内。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述复合光催化剂是Fe3O4@TiO2-Pd。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述复合光催化剂Fe3O4@TiO2-Pd的制备方法，包括如下步骤：
1)取适量Fe3O4，加入无水乙醇，超声振荡直至Fe3O4分散均匀，再滴加28wt%的氨水，持续超声15min，得到分散后的液体;在机械搅拌下，于分散后的液体中滴加钛酸四丁酯的乙醇溶液，继续搅拌1-2h，所得反应液用磁铁进行固液分离，取固体物，依次用乙醇和去离子水洗涤后，转入80℃真空干燥箱中干燥，最后于马弗炉中500℃煅烧3.0h，冷却后研磨，得Fe3O4@TiO2;
2)取适量Fe3O4@TiO2加入到乙醇溶液中，超声分散10min，得悬浮液，在搅拌下，于悬浮液中加入Pd(NO3)2·2H2O，混合均匀之后，置于冰水浴中，在搅拌下，向其中加入过量新鲜制备的0.1mol/L NaBH4溶液，反应30min，所得到的悬浮液通过磁铁进行固液分离，取固体物，用去离子水洗涤后，于60℃下干燥12h，最后置于马弗炉中300℃煅烧1.0h，冷却后，充分研磨，得Fe3O4@TiO2-Pd粉末。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，调节染料的初始浓度为5～15mg/L。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，Fe3O4@TiO2-Pd的加入量为0.5～1.5g/L。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，控制文丘里管(5-1)入口压力为1.0～7.0bar。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述文丘里管(5-1)喉部长度为2～4mm。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述文丘里管(5-1)和玻璃管(5-2)的材质是派克热思玻璃。
9.根据权利要求1～8任一项所述的方法，其特征在于，所述染料是有机染料。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述有机染料是结晶紫、孔雀绿和活性橙。
说明书
一种水力空化系统协同复合光催化剂光催化降解废水中染料的方法
技术领域
本发明属于水力空化应用领域，具体地涉及以Fe3O4@TiO2-Pd为复合光催化剂，在水力空化系统的协同下，光催化降解有机染料废水的方法。
背景技术
染料是一种自身有颜色，并能以分子状态或分散状态使其他物质获得鲜明和牢固色泽的人工合成的化合物。常用于食品、纺织、塑料、化妆品等领域。但是残留的染料进入环境中，可能会加深水体色度，影响水体感官;还可能会阻挡阳光透射，影响水生生物生长，甚至破坏整个水体的生态系统。此外，染料废水中含有大量的有机物，消耗水体中的溶解氧，使水体处于缺氧状态，妨碍鱼类和浮游生物的生长，导致水质恶化。染料废水中还含有很多有毒有害的有机物，如偶氮苯环，会诱发癌症，会严重影响人体健康。在过去，已经有很多方法被用来去除或处理染料废水，包括物理吸附法，生物脱色法等。但是，由于染料特殊的理化性质和低生物降解性，物理和生物的方法不能完全破坏染料分子。并且，这些方法不太适合大规模处理。因此，寻求高效节能、无害化处理大规模染料废水的方法已成为当前的研究热点。
水力空化现象可以定义为，恒定温度下的压力变化导致的空腔的形成、生长和坍塌。它广泛存在于液压机械中，但被认为是一种阻碍流体机械系统的因素。因为严重的空化会引起系统内剧烈的噪音，振动，进而引起效率急剧下降和材料损坏等。然而，近年来，空化产生的能量可用于不同的工业应用中，在水处理，生物技术，化学工程中产生意想不到的好处。空化的应用归因于在空化泡破裂瞬间释放能量。伴随着高温高压的极端条件，剪切力和水分子的离解产生强氧化性的自由基(·OH)。由于水力空化设备简单，更适合于大规模废水处理的应用。且与超声空化相比更节约能源，是空化反应器在实际应用中的最优选择。因此，应用水力空化来提高污水处理的效率是一种很有前景的策略。但是，水力空化技术在降解有机污染物时，通常效率较低。或许与其他高级氧化技术(AOP)复合是一个好的途径来提高有机污染物的降解效率。因此，与单独的高级氧化过程相比，已经探索了不同AOP的组合，并且发现其对废水处理更有效。在众多的高级氧化技术中，光催化降解同样是一种很有前途的方法。基于TiO2半导体的光催化氧化技术是一种有效的降解水中各种有机污染物的技术。然而，光催化降解技术在较大规模的工业应用上不太可行。在大多数情况下，由于光生空穴和电子的重组以及副产物化合物在催化剂表面积累使催化剂逐渐失活，光催化效率通常会降低。
发明内容
为了大规模处理染料废水，本发明提供一种水力空化系统协同复合光催化剂光催化降解废水中染料的方法。
本发明采用的技术方案是：一种水力空化系统协同复合光催化剂光催化降解废水中染料的方法，利用水力空化系统，采用复合光催化剂光催化降解废水中的染料，包括如下步骤：将含有染料的废水置于降解池中，加入复合光催化剂，混合均匀，控制降解池的温度为30～50℃，开启稳压泵和光源，使降解池中的混合液在水力空化光催化装置和降解池之间进行循环，循环150min。所述水力空化系统包括水力空化光催化装置和外部设有冷却循环系统的降解池，所述水力空化光催化装置由文丘里管和玻璃管串联组成，文丘里管上端设有光源，出水管道一端与降解池的出水口连接，另一端依次连接稳压泵、阀门Ⅰ、压力表Ⅰ和流量计Ⅰ后与文丘里管的入口端连接，入水管道一端与空玻璃管连接后，另一端依次连接压力表Ⅱ、流量计Ⅱ和阀门Ⅱ后深入降解池内。
进一步的，上述的方法，所述复合光催化剂是Fe3O4@TiO2-Pd。
进一步的，上述的方法，所述复合光催化剂Fe3O4@TiO2-Pd的制备方法，包括如下步骤：
1)取适量Fe3O4，加入无水乙醇，超声振荡直至Fe3O4分散均匀，再滴加28wt%的氨水，持续超声15min，得到分散后的液体;在机械搅拌下，于分散后的液体中滴加钛酸四丁酯的乙醇溶液，继续搅拌1-2h，所得反应液用磁铁进行固液分离，取固体物，依次用乙醇和去离子水洗涤后，转入80℃真空干燥箱中干燥，最后于马弗炉中500℃煅烧3.0h，冷却后研磨，得Fe3O4@TiO2;
2)取适量Fe3O4@TiO2加入到乙醇溶液中，超声分散10min，得悬浮液，在搅拌下，于悬浮液中加入Pd(NO3)2·2H2O，混合均匀之后，置于冰水浴中，在搅拌下，向其中加入过量新鲜制备的0.1mol/L NaBH4溶液，反应30min，所得到的悬浮液通过磁铁进行固液分离，取固体物，用去离子水洗涤后，于60℃下干燥12h，最后置于马弗炉中300℃煅烧1.0h，冷却后，充分研磨，得Fe3O4@TiO2-Pd粉末。
进一步的，上述的方法，调节染料的初始浓度为5～15mg/L。
进一步的，上述的方法，Fe3O4@TiO2-Pd的加入量为0.5～1.5g/L。
进一步的，上述的方法，控制文丘里管入口压力为1.0～7.0bar。
进一步的，上述的方法，所述文丘里管喉部长度为2～4mm。
进一步的，上述的方法，所述文丘里管和空玻璃管的材质是派克热思玻璃。
进一步的，上述的方法，所述染料是有机染料。
更进一步的，上述的方法，所述有机染料是结晶紫(CV)、孔雀绿(FG)和活性橙(RO)。
本发明的有益效果是：本发明将水力空化技术和复合光催化剂光催化技术相结合，以提高TiO2的光利用效率。水力空化系统流动性的特点为光催化提供了一个放置空间，提高光催化的处理量，使其实现大规模的处理。此外，水力空化产生的极端条件为光催化剂提供了一个更好的反应场所。复合光催化剂可以同时被光照及水力空化产生的极端条件激发，能够更容易被激发，控制电子和空穴复合，促进羟基自由基与有机污染物反应。空化泡的坍塌还可以产生高速微射流和强烈的冲击波，这可以清洁催化剂表面，提高催化剂的活性。更进一步，纳米复合光催化剂的存在，可为空泡形成额外的成核位点，更有利于空泡的形成。（发明人王君;李灌澍;张朝红;房大维）